定量磁共振成像评价关节软骨损伤的研究进展

冯洁 综述 盛茂 审校

关节软骨由软骨细胞组成，其散布在由水和高度组织的胶原蛋白多糖（proteoglycan，PG）和胶原糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）组成的基质中［1］。关节软骨能够润滑关节，并能最大限度地吸收和缓冲应力。软骨内无血管，通过基质的扩散作用从软骨膜的血管获取营养； 软骨内也无淋巴管和神经，故损伤后多难以再生［2］。

关节镜被认为是评价关节软骨的参考标准，但其属于侵入性检查，且伴有相关的并发症；较之其他影像技术，MRI 具有良好的软组织对比分辨率，特别是能对关节软骨进行最佳的显示，目前除了定性和半定量的形态评估外，一些可以对软骨的生化成分进行表征和定量的新技术已经被开发出来［1］，可通过非侵入性的定量测量来敏感地监测软骨的微细变化，提供可靠和可重复的成像生物标志物［3,4］。这些技术包括弛豫时间的测量（T2、T2*mapping 和T1ρ、钠成像、软骨延迟钆增强磁共振成像（delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC）成像、GAG 化学交换饱和转移成像（glycosaminioglycan chemical exchange saturation transfer, gag CEST）成像［1,5-8］。

定量磁共振成像在关节软骨损伤中的应用

1.T1ρ（T1rho）

T1ρ 是旋转框架中的自旋晶格弛豫，与 T2弛豫相似，在磁化倾斜到横向平面后还要施加一个附加的射频脉冲。信号衰减指数时间常数，即T1ρ，通过从多个图像中改变自旋锁定脉冲的持续时间而得出。T1ρ 对运动受限的水分子及其环境之间的相互作用敏感，与关节软骨中蛋白聚糖的含量有关，T1ρ 值反映了软骨细胞外基质和蛋白多糖含量［2, 3］。

关节软骨的损伤导致蛋白含量下降，在T1ρ中则反映为 T1ρ 值的延长［9,11］。Wyatt 等［12］的一 项研究分析了无骨关节炎受试者以及轻度和中度骨关节炎患者的髋关节T1ρ，发现有无局灶性缺损的髋臼软骨中 T1ρ 值有显著差异。而且 Anwander等［11］及 Li 等［13］认 为 T1ρ 是一种合适的生化成像生物标记物，可敏感地评估软骨基质的纵向变化。这在Li 等［14］的一项预测损伤后研究也得到了验证。而 Prasad 等［15］却认为 T1ρ 可预测关节软骨形态病变的发展，但不能反映细胞外基质的特定大分子成分。此外，在 Franklin 等［8］对诱导的犬膝软骨缺损模型的研究中，也发现T1ρ 弛豫时间与蛋白聚糖含量之间的相关性，比先前的一些研究要弱，可能因为犬软骨只有人软骨厚度的20%～50%，选取提供足够分辨率的ROI 比较困难；由此可见，合适的ROI 对于T1ρ 评估软骨损伤也很重要。

2.T2 mapping

T2mapping 是一种用于通过组织的深度评估软骨的结构完整性、组织结构和含水量的技术。在此过程中，净磁化被翻转90°到横向平面，各个自旋彼此相互作用，传递能量，导致净磁化去相位和整体信号衰减［16］。通过对每个体素的每个回波时间的信号强度进行单指数曲线拟合来计算感兴趣软骨区域的T2值，通过测量不同回声时间下的T2WI 像，并将数据拟合成指数衰减曲线［16,17］，但如果回波太少，则可能会产生估计误差［2］。关节软骨的T2值与细胞外基质的含水量、胶原含量，特别是胶原纤维的取向有关［18,19］；T2弛豫时间受自由水的影响，自由水含量越大，T2值越大，导致蛋白多糖丢失的软骨损伤可增加软骨含水量，也有一些证据表明软骨蛋白聚糖含量会影响软骨水含量［2, 8, 20］。

关节软骨T2值随着组织深度的变化而变化［16］，较长的 T2值被认为是软骨变性的结果［21-24］。如 Jungmann 等［25］发现糖尿病患者的软骨 T2值明显高于正常人，因其弥漫性肿胀故而使其有更高的含水量，同时存在胶原蛋白结构的退化。Zhong等［26］的研究发现T2mapping 信号的变化可预测无症状个体中有症状关节炎的进展。而Jungmann等［27］的一项研究表明，一旦软骨出现更严重的退行性变，T2值可能会再次下降，即T2的测量可能不太适合更严重的疾病阶段。值得注意的是，T2弛豫时间在不同的序列之间可能存在潜在的差异，因此比较不同研究的结果时应谨慎。Juras 等［28］发现了一种加速数据采集并减少整体扫描时间的方法，如减少整体扫描时间的双回波稳态（double echo steady state，DESS）成像。此外，不同的拟合方法也会给 T2量化造成偏差［29,30］。

3.T2* mapping

T2* mapping 类似于T2mapping，在单个层面生成多个回波图像，并使用单指数或双指数衰减方程式将信号强度拟合到相应的回波时间图像中［31,32］。T2* 和 T2间的物理差异在于，使用磁梯度而不是180°射频脉冲来重新定相用户定义的TE自旋； 由于缺少 180°射频脉冲，T2* mapping 对受激回波和磁化传递的敏感性也低于T2mapping。因此，T2* 具有外部磁场的不均匀性，即在公式中1/T2*2＝1/T2+γΔBo，Bo 的不均匀性越大，T2* 值越短［4,16,31］。T2* mapping 以较短的 TE 0.3 μm 量级来评估组织性更强和/或结合水度更高的组织，这些较短的TE 可能使T2* 对胶原蛋白结构更敏感，而不是体积含水量［33］。

T2* mapping 所用的更短回波时间使T2* 值对于评估软骨的深层区域更可靠［32,34,35］。Ellermann等［36］在对髋关节的 T2* mapping 研究中，显示了正常软骨中的T2* 松弛时间明显高于早期和更严重退行性变软骨的T2* 弛豫时间。近几年来UTE 成像序列的使用，使得T2* mapping 可以更好在评价软骨损伤，UTE 序列允许在几毫秒或更短的时间内用非常短的T2成像组织成分，这在软骨和半月板的深层钙化层中具有特别重要的意义，但由于空间分辨率和信噪比（signal to noise ratio，SNR），目前的临床应用仍然有限［30,37］。T2* mapping有几个局限性，包括对敏感性伪影（如组织界面上和手术后碎片的伪影）和魔角效应的敏感性更高［4］。

4.dGEMRIC

dGEMRIC 是一种T1弛豫时间测量（dGEMRIC指数）技术，用于评估关节软骨内糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）的变化［38］。通过静脉注射带负电荷的MR 对比剂（Gd-DTPA2-），然后通过滑液和关节间隙扩散到关节软骨中； 由于两个分子上都带有负电荷，所以这种反差扩散到组织中，与带有负电荷的GAG 含量的局部浓度成反比［16］。

软骨损伤将导致糖胺聚糖的丢失，而后者将进一步导致T1弛豫时间降低，“dGEMRIC 指数”降低［39-41］。有研究发现一例左侧髋关节发育不良的患者［40］，其 dGEMRIC 指数低于未受影响的右侧髋关节，而除左侧股骨头覆盖不足外，双侧髋关节均显示形态正常。尽管dGEMRIC 提供了一种评估组织GAG 含量的直接方法，但是该方法的技术局限性包括：需要静脉注射对比剂，对比剂在成像之前扩散的等待时间（约90 min），以及钆注射的风险包括肾功能衰竭、肾源性系统性纤维化，及钆沉积于体内而导致健康风险［3］。一些研究认为关节内注射，可更好地显示软骨轮廓，同时评估软骨周围组织［42,43］。

5.钠 MR 成像

由于奇数的质子和/或中子会产生核自旋动量和相关的MR 现象，因此可以对钠离子（Na2+）进行成像；同dGEMRIC 一样，其可以用来评估体内软骨的 GAG 含量［16,44］。

最近的一些的研究开始将钠MR 应用于软骨研究中［45,46］。然而，钠在人体组织中的含量低于质子，并且与质子图像相比，钠图像的 SNR 较低［47］；此外，因为存在滑液或关节积液可能会引起部分容积效应，也会降低显示软骨GAG 丢失的敏感性［48］。虽然钠 MRI 已显示出很大的潜力，但仍需要进一步的硬件和软件改进，才能将钠MRI 转换为 3.0 T 磁共振成像系统的可行方法［49］。

6.gag CEST

gag CEST 是一种基于磁化转移技术以及化学交换理论的新型成像技术。外源性试剂可以用于MR 成像中，以通过改变组织的局部松弛特性来帮助在所生成的图像中产生对比度［16］。在gagCEST技术中，位于GAGs 酰胺和羟基上的非共振质子被RF 脉冲饱和；然后这些质子相互作用，并通过化学交换转移到周围水分子中，从而在周围水的输出图像中产生对比度。gagCEST 被认为是周围水中与GAG 含量相关的质子的非侵入性生物标记物，而不需要外源性对比剂［6,50-52］。

Brinkhof 等［5］发现与健侧髁突的健康软骨相比，受损软骨中的GAG 含量有显着差异；Schleich等［53］的研究也发现，在椎间盘退变患者中，酰胺质子不对称磁化转移率（magnetic resonance ratio asymmetry,MTRasym）值与软骨变性和下腰痛有关。而 Singh 等［7］在其实验研究中得出结论，认为gagCEST 可能在3.0 T磁场下无法准确定量健康或退化软骨中的GAG 含量。此外，gagCEST 也存在一些局限，限制了其在临床中的使用：（1）gagCEST对Bo 的不均匀性极其敏感，并且除非施加Bo 不均匀性校正，否则可能会产生磁化率伪影，这可能会延长扫描时间；（2）gagCEST 成像通常在超高场强（7.0 T）下进行，因为可交换束缚/体质子的共振频率是分子特异性的，且更大的频率分离有助于射频饱和［6,16］。所以未来的并行成像，将会在进一步减少扫描次数或在更高的空间频率下增加CEST 对比，将有助于推进关节软骨gagCEST 成像的临床应用，并允许在更合理的扫描时间内对更大的关节（如膝关节）成像。

小 结

以上简要描述了这些新技术的利弊及其在临床的应用进展。这些新的MR 技术已经彻底改变了MRI 的诊断潜力，能够提供客观的细节图像，这可能为未来临床诊断提供更多更精确的证据。